„H2-Readiness von Gasgeräten“

Erste Ergebnisse aus dem Projekt Roadmap Gas 2050 |

Teilprojekt „Roadmap Gasanwendungen“

21.06.2021

Frank Burmeister

H2-Verträglichkeiten von Gasanwendungen im häuslichen und

industriellen Bereich

Hintergrund:

• Klimaschutzziele erfordern schnelles Handeln

und eine Reduktion der CO2-Emissionen in

allen Bereichen.

• Wasserstoff kann einen Beitrag leisten auch

über die Beimischung im Erdgasnetz.

Fragestellung:

• Wie verhalten sich Gasendgeräte bei einer

Zumischung von Wasserstoff?

→ Teil der Untersuchungen im

DVGW-Projekt Roadmap Gas 2050

2

Inhalt

1. Theoretischer Hintergrund

2. Aufbau der Testreihen: Testprogramm, Testgase und Gerätetypen

3. Ergebnisse der Tests

4. Status heute und Fazit

3

Theoretischer Hintergrund

4

Wie kann ein H2-Anteil im Gas die Anwendungen beeinflussen?

H2-Zumischung

5

Beeinflusst werden u.a.Lmin, Hs, Ws ,Q

sL = f(xi, T, p, q), ʎ

Die laminare, adiabate Flammengeschwindigkeit ist ein Stoffwert – folgt aus 1-D-Berechnung.

H2 hat einen Wobbe-Index entsprechend der unteren Grenze des H-Gas-Bandes.

Warum funktioniert das trotzdem nicht?

Es sind zu unterscheiden:• Brenner ohne und mit Ventilator,• Voll- und teilvormischende Brenner,• Diffusionsbrenner im

Industriesektor,• Regelungskonzepte• 1-stufige und modulierende Brenner• Zündeinrichtungen• Überwachungseinrichtungen

Wasserstoff und Methan | Wichtige Kenngrößen im Vergleich

Wasserstoff ist im Vergleich zu Methan „reaktionsfreudiger“ (Knallgasversuch), vgl. min.

Zündenergie, Zündbereich, Brenngeschwindigkeit.

Für die Gasgerätetechnik stellen sich hierdurch besondere Anforderungen: Brennerauslegung

(Gemischbildung, Startverhalten, Flammenstabilisierung), Flammenüberwachung und Akustik.

6 Quelle: GWI, 2020

Kenngrößen WasserstoffH2

MethanCH4

Heizwert massebezogen kWh/kg 33,3 13,9

Heizwert volumetrisch kWh/m³ 3,0 10,0

Dichte kg/m³ 0,09 0,72

Untere / obere Zündgrenze in Luft Vol.-% 4 / 75 5 / 15

Minimale Zündenergie (l = 1) mWs 0,02 0,29

Brenngeschwindigkeit in Luft (l = 1) cm/s 275 43

Diffusionskoeffizient in Luft cm²/s 0,61 0,16

Spez. CO2-Emissionen g/MJ 0 55

Einfluss von Wasserstoff auf die kalorischen Kenngrößen:

Wobbe-Index und Heizwert

7 Quelle: GWI, 2020

Bei einer Grenzwertbetrachtung von 100 % CH4 / 0 % H2 bis 0 % CH4 / 100 % H2 weicht der Wobbe-Index um lediglich 10 % ab (wichtiger Kennwert für Gasgeräte im Wärmemarkt), im Heizwert dagegen um ca. 70 % (wichtiger Kennwert z.B. für die Thermoprozesstechnik).

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Rel

ati

ve D

ich

ted

Hei

zwer

tH

iu

nd

Wo

bb

e-In

dex

WS

in M

J/m

3

Anteil H2 im Gemisch mit CH4 in Vol.-%

Hi [MJ/m3] WS [MJ/m3] relative Dichte [-]

ΔHi ca. 70 %

ΔWS ca. 10 %

Flammengeschwindigkeit sL für CH4, H2 und CH4/H2-Gemische

8 Quelle: GWI und Riello, 2020

Die (laminare) Flammengeschwindigkeit im CH4 / H2-Gemisch ändert sich wesentlich erst bei sehr großen H2-Anteilen.

0

50

100

150

200

250

300

350

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00

Fla

mm

enge

sch

win

dig

keit

sL

in c

m/s

Luftzahl n in m³/m³

CH4 70 % CH4 / 30 % H2 50% CH4 / 50% H2 H2

Flammen-halter

Brenngas-/Luft-Gemisch

(laminare) Flammen-Geschwindigkeit sL

Ausström-geschwindig-keit c

Flamme

Neuentwicklungen nötig

Anpassungen erforderlich

Testprogramm,

Testgase und

Gerätetypen

9

Brennerlauf mit Gaswechsel im stationären Betrieb und bei

Leistungserhöhung/-reduktion

Start

Qmin

Qmax Brennerlauf

TVL/TRL: 80/60 °C und 50/30 °C

Randbedingungen:TLuft = Tumgebung pGas= 20 mbar

Testgase:G 20 als ReferenzgasG 20 + H2 (10, 20 ,30 und 40%)G 231 + H2 (10, 20 ,30 und 40%)G 23 + H2 (10, 20 ,30 und 40%)(EU-Low nur, wenn G23 Probleme zeigt)EU-Low+H2 (10, 20 ,30 und 40%)

20 min 30 min

G 2

0

G 2

0 +

10

% H

2

G 2

0 +

20

% H

2

G 2

0 +

30

% H

2

G 2

0 +

40

% H

2

30 min 30 min 30 min

G 2

0

G 2

0 +

10

% H

2

G 2

0 +

20

% H

2

G 2

0 +

30

% H

2

G 2

0 +4

0% H

2

40 min 30 min 15 min 30 min 30 min

G 2

0

G 2

0

15 min

G 2

0

15 min

*

G 2

0

*

Zeitintervalle abhängig vom Erreichen des stationären Zustands und der Zeitdauer bis zum Vorhandensein der neuen Gasmischung(je nach Gerät und Mischanlage), ca. 2/3 Messzeit

ca. 1minEvtl. kritisch bei Gaswechsel

G 2

0 +

35

% H

2

30 min

G 2

0 +

35

% H

2

G 2

0

15 min

Start- und Stop-Messung

Randbedingungen:TLuft = -15°C pGas= 20 mbar

Worst-case-Start-TestDas Gerät muss starten und die Flamme muss sich am Brenner stabilisieren.

Start

5 min

G 2

0 +

40

% H

2

10 min

Gas

wec

hse

l

G 2

0 +4

0% H

2

5 min

Gas

wec

hse

l

G 2

0 +3

5% H

2

Ga

swe

chse

l

G 2

0 +3

0% H

2

10 min 5 min 10 min 5 min

Kaltstart mit gekühlter Verbrennungsluft

Sto

pS

tart

Sto

pSt

art

Sto

pSt

art

Sto

pSt

art

G 2

0 +2

0% H

2

5 min

Sto

p

(Kaltstart nur G 20+40% H2)

Sto

pSt

art

G 2

0 +

10

% H

2

5 min

Gas

wec

hse

l

Gas

wec

hse

l

Einordnung der Testgase

12

11 12 13 14 15 16 17

7

8

9

10

11

12

13

14

d = 0,25

d = 0,35

d = 0,45

EU low+40% H2

EU low+30% H2

EU low+20% H2

EU low+10% H2

Untergrenze EU

G 231

G 23

G 21+ 20% H2

60% CH4+40% H2

70% CH4+30% H2

80% CH4+20% H2

90% CH4+10% H2

57,652,243,2 61,254,039,6 46,850,4

46,8

43,2

39,6

36,0

32,4

28,8

H-Gas

Grenzen DVGW Arbeitsblatt G 260 / März 2013

d = 0,55

13,1

8,4

15,7

25,2

rel. Dichte d = 0,75

13,6

CH4

G 21

Wobbe-Index Ws,n in MJ/m3 (@ 25 °C / 0 °C)

Bre

nn

wert

Hs,n

in

MJ/m

3 (

@ 2

5 °

C /

0 °

C)

Wobbe-Index Ws,n in kWh/m3 (@ 25 °C / 0 °C)

Bre

nn

wert

Hs,n

in

kW

h/m

3 (

@ 2

5 °

C /

0 °

C)

• Die Anzahl der Testgase wurde

reduziert.

• Wenn das Gerät mit G 231 bzw.

G 23 betrieben werden kann,

muss EU-low nicht getestet

werden.

• G 20 + 20 Vol.-% H2 zeigt, ob

eine relative Dichte von 0,45

angesetzt werden könnte.

• Zur Abklärung weiterer Effekte

wurden Tests mit „Dichtetest-

gasen“ durchgeführt.

Getestete Gerätetypen

Es wurden/werden zunächst „sensible“ Technologien und ein Gerät nach dem

Stand der Technik getestet (Neu- und Altgeräte):

• I2N-Brennwertgeräte

• 1-stufiger Kessel

• teilvormischender Brenner

• mehrfach-Injektorbrenner, modulierend

• 300 kW-Kessel (Gebläse-Brenner)

• BHKW

• Brennstoffzelle

• Kochgeräte

13

Heizsysteme sind im Schnitt 15 Jahre alt

Altersverteilung auf Basis von 96 Erhebungen

14

Durchschnittsalter:

15 Jahre

Ersterhebung im Rahmen des

DVGW-Projekts H2-20 (gemeinsam

mit Avacon) – Zwischenergebnisse ff.

Stand 04. XII/2020

Ergebnisse der Tests (Beispiele zu Haushaltsanwendungen)

15

Ergebnisse bis 40 Vol.-% H2: Brennwertgerät ohne Auffälligkeiten

16

Test mit Gaswechsel, Beispiel: G 20 mit H2

Bisher wurde ein Brennwert-

gerät getestet:

➔ Funktionsfähig ohne

Auffälligkeiten mit

40 Vol.-% H2

• bei schnellem Gaswechsel

von G 20 auf das CH4-/H2-

Gemisch

• bei Unterschreiten der

unteren Grenze für die

relative Dichte mit d = 0,5

(Untergrenze zurzeit bei

d = 0,55)

Ergebnisse bis 40 Vol.-% H2: Kessel mit Injektorbrenner funktionsfähig

17 Quelle: GWI, 2020

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1000

0

1100

0

1200

0

1300

0

1400

0

1500

020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

G 20 & G 20+H2

TVL/TRL: 80/60 °C

TVL in °C

TRL in °C

TAbgas in °C

QTherm. in kW

CH4 in Vol-%

Vo

r- u

nd

Rü

ckla

uft

em

pera

tur

in °

C

Ab

gaste

mp

era

tur

in

°C

Zeit in s

QT

herm

. in

kW

50

60

70

80

90

100

110

CH

4-A

nte

il im

Bre

nn

sto

ff in

Vo

l-%

Einstufiger Kessel:

➔ Funktionsfähig bis zu

40 Vol.-% H2

• bei schnellem Gaswechsel

von G 20 auf das CH4-/H2-

Gemisch

• bei Unterschreiten der

unteren Grenze für die

relative Dichte mit d = 0,5

(Untergrenze aktuell d=0,55)

− Aber ab 30 Vol.-%

akustische Effekte.

Test mit Gaswechsel, Beispiel: G 20 mit H2

Einordnung der Gase für den „Dichtetest“ und der Einfluss der

relativen Dichte

18

13,0 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0

7

8

9

10

11

12

13

14

Dichtetest (Gas_4)

Dichtetest (Gas_2)

Dichtetest (Gas_1)

Dichtetest (Gas_3)Wobbe-Index gleich

Dichte gleich

H2 unterschiedlich

Wobbe-Index gleich

H2 unterschiedlich

Dichte unterschiedlichWobbe-Index gleich

H2 gleich

Dichte unterschiedlich

55,852,248,6 57,654,046,8 50,450,4

46,8

43,2

39,6

36,0

32,4

28,8

H-Gas

Grenzen DVGW Arbeitsblatt G 260 / März 2013

relative Dichte

d = 0,55

13,1

8,4

15,7

25,2

relative Dichte

d = 0,75

13,6

Wobbe-Index Ws,n in MJ/m3 (@ 25 °C / 0 °C)

Bre

nn

we

rt H

s,n

in

MJ

/m3 (

@ 2

5 °

C /

0 °

C)

Wobbe-Index Ws,n in kWh/m3 (@ 25 °C / 0 °C)

Bre

nn

we

rt H

s,n

in

kW

h/m

3 (

@ 2

5 °

C /

0 °

C)

Die Testgase wurden so

gemischt, dass die Effekte

durch den H2-Anteil, den

Wobbe-Index und die relative

Dichte isoliert betrachtet

werden können.

Gaskennwerte DIN EN

ISO 6976

Referenzbedingungen:

(Verbrennung: 25°C /

Volumen: 0°C), p=

1013,25 mbar

Dichtetest

Gas_1

Dichtetest

Gas_2

Dichtetest

Gas_3

Dichtetest

Gas_4

CH4 87,0 81,0 69,5 91,0

N2 10,0

H2 10,0 10,0

C3H8 10,5 3,0

He 13,0 9,0

CO2 6,0

Brennwertgerät: Emissionen bei verschiedenen Gasen und „Dichtetestgasen“

19

5

10

15

20

25

30

35

40

45

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

Dic

htete

st

Gas

_3

Dic

htete

st

Gas

_2

Dic

htete

st

Gas

_1

Dic

htete

st

Gas

_4EU L

ow

G 2

31

(Gre

nze H

-Gas

berei

ch)

QMax.

TVL/TRL: 50/30 °C

CO in ppm

NOX in ppm

CO2 in Vol.-%

O2 in Vol.-%

Luftzahl l [-]

CO

2-

un

d O

2-

An

teil im

Ab

gas in

Vo

l-%

CO

lftr

.- u

nd

NO

x,lft

r.-E

mis

sio

nen

in

pp

m @

0 V

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% O

2

G 2

1+20

Vol.-

H 2

G 2

3G 2

1G 2

0

Lu

ftzah

l l [

-] Luftzahl bei verschiedenen

Brenngasen zeigt keinen

signifikanten Effekt.

Industrieanwendungen

20

Testmessung an einem BHKW

21

Erklärung des Herstellers zu den hohen NOx und CxHy Werten: Bei der Messung wird sichtbar,

dass der Dreiwege-Katalysator bei zu hoher H2-beimischung aus dem Gleichgewicht gebracht wird. Somit kann er NOx und Kohlenwasserstoffe (CxHy) nicht mehr reduzieren, da ihm das notwendige CO zum Abbau fehlt.

Herausforderung Industrieanwendung

22

Auswirkungen der H2-Zumischung auf die

Brennerleistung und Luftzahl für gleiche Einstellung des Gasdruckreglers und gleiche Luftmenge

Kompensationsmöglichkeiten:

− Konstanthalten von Leistung und Luftzahl

− Anpassung der Luftzahl

Herausforderung:

− Unterschiedliche Brennertypen und Anwendungen,

− Einstellung vor Ort

Einstellung vor Ort:

− Wir grade intensiv diskutiert

Herausforderung:

− Einstellung auf H2-reiches Gas -Wechsel auf Erdgas

InstallationenBeispiel Gasströmungswächter, Leitungsanlage

23

Auszug: Installationen, Gasströmungswächter (GS)-Prüfstand am

Gas- und Wärme-Institut

24

Die Komponenten des GS-Prüfstandes:

Laminar-Flow-Element am GS-Prüfstandes

Gasseitig

• Festanschluss: Druckluft aus der hauseigene Versorgung.

Hiermit kann nach DIN 30652-1 (bzw. „ehemals“ DVGW VP

305-1) geprüft werden.

• Flaschenanschluss: G20, G20/H2-Gemische und H2 als

Testgase

• Flaschenanschluss: Stickstoff zum Spülen der Leitung aus

Sicherheitsgründen.

Messtechnik

• Zur Volumenstrommessung dient ein Laminar-Flow-Element

(LFE) vom Typ Meriam Process Technologies 50MH10-01.25

• In Kombination mit dem LFE wird ein Differenzdruck-

Manometer Halstrup Walcher P26 genutzt.

• Zur Temperaturmessung wird ein Messgerät mit Pt100

Temperatursensor verwendet.

Schließvolumenströme und Schließfaktoren im stationären Betrieb (Mittelwerte)

(Betriebsdruck pmin= 15 mbar)

25

Schließvolumenstrom im stationären Betrieb in m³/h (p= 1013 mbar, T= 15 °C)

Luft G 20G 20+

10 Vol.-% H2

G 20+

30 Vol.-% H2

G 20+

40 Vol.-% H2

G 20+

50 Vol.-% H2100% H2

DN20 2,5 2,66 3,51 3,93 4,19 3,96 4,31

DN20 4,0 4,13 5,57 5,79 6,20 6,77 7,31

DN25 2,5 2,87 3,79 3,92 4,41 4,76 5,10 9,38

DN25 4,0 4,62 6,11 6,35 6,72 7,35 7,83 14,67

DN25 6,0 6,67 8,75 9,52 10,26 11,26 12,26 22,29*

DN32 6,0 6,62 8,68 9,40 10,45 10,72 11,68

DN40 10,0 10,75 14,20 15,37 16,39 18,21 19,51

DN40 16,0 17,66 23,85 25,75 25,90 29,53 33,34

DN50 10,0 11,04 14,62 16,13 17,47 18,62 19,86

Schließfaktors fs im stationären Betrieb [-]

Luft G 20G 20+

10 Vol.-% H2

G 20+

30 Vol.-% H2

G 20+

40 Vol.-% H2

G 20+

50 Vol.-% H2100% H2

1,40 1,40 1,57 1,67 1,58 1,72

1,33 1,39 1,45 1,55 1,69 1,83

1,51 1,52 1,57 1,76 1,91 2,04 3,75

1,49 1,53 1,59 1,68 1,84 1,96 3,67

1,42 1,46 1,59 1,71 1,88 2,04 3,72*

1,41 1,45 1,57 1,74 1,79 1,95

1,38 1,42 1,54 1,64 1,82 1,95

1,49 1,61 1,62 1,85 2,08

1,42 1,46 1,61 1,75 1,86 1,99

*pmin= 20 mbar

fs =ሶVs

ሶVN

ሶVS = Schließvolumenstrom in Τm3 h

ሶVN = Nennvolumenstrom in Τm3 h

Bei dem Prüfling „DN25 6,0“ mit reinem Wasserstoff musste

der Betriebsdruck (pmin) auf 20 mbar erhöht werden, da bei

pmin= 15 mbar der Schließvolumenstrom nicht erreichen

werden konnte.

Normanforderung für Schließfaktor fs: 1,3 < fs < 1,8 erfüllt / nicht erfüllt

Bis ca. 30 Vol.-% H2 sind die Anforderungen für die Gasströmungswächter erfüllt.

Leitungsanlage

26

0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Dru

ckve

rlu

st in

Pa

/m

H2-Anteil in Vol.-%

Re < 2300

Der Druckverlust bei 100 % H2 entspricht nach den verwendeten Verfahren (TRGI) etwa dem von Gas mit eine 20 Vol.-%-Anteil.

Verifizierung!

Stand heute und Fazit

27

Die Ergebnisse zeigen: Geräte tolerieren eine Beimischung von 20 Vol.-% H2

28

▪ Die Ergebnisse der durchgeführten Testreihen

zeigen, dass die Geräte mit einem Anteil von

20 Vol.-% H2 im Gasgemisch funktionieren.

▪ Die Grenze der relativen Dichte könnte nach

derzeitigem Untersuchungsstand abgesenkt

werden.

Frank Burmeister

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

29